Bài học

Biodiesel từ dầu mỡ động thực vật

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được phương trình phản ứng chuyển hoá ester (transester hoá) chất béo bằng methanol để tạo biodiesel, tính toán được khối lượng biodiesel theo hiệu suất, và giải thích được vì sao biodiesel được xem là nhiên liệu tái tạo thân thiện môi trường.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài 2.2 học phản ứng ester hoá và xà phòng hoá ester đơn chức; bài 3.1–3.2 học cấu tạo và phản ứng xà phòng hoá chất béo (trieste của glycerol). Bài này ghép cả hai: thay vì cho chất béo phản ứng với $NaOH$ (nước) như xà phòng hoá, ta cho chất béo phản ứng với methanol để tạo ra một loại ester khác — nhiên liệu, không phải xà phòng.

Khởi động

Dầu ăn đã qua chiên rán nhiều lần ở các quán ăn thường bị đổ bỏ, gây ô nhiễm nếu xả trực tiếp ra cống. Ở một số nhà máy, đúng loại dầu thải đó lại được thu gom và biến thành nhiên liệu chạy được động cơ diesel. Phản ứng hoá học nào đứng sau sự "biến hình" này?

Kiến thức trọng tâm

Biodiesel là hỗn hợp các methyl ester của acid béo (thường viết tắt FAME — fatty acid methyl ester), điều chế bằng phản ứng chuyển hoá ester (transester hoá): chất béo (triglyceride) phản ứng với methanol dư, xúc tác base ( $NaOH$ hoặc $KOH$ ), đun nóng nhẹ:

$(RCOO)_3C_3H_5 + 3CH_3OH \xrightarrow[NaOH]{t^\circ} C_3H_5(OH)_3 + 3RCOOCH_3$

Phản ứng này có hình thức giống hệt xà phòng hoá — cùng dùng xúc tác base, cùng "cắt" ba liên kết ester của chất béo — nhưng khác nhau ở tác nhân: xà phòng hoá dùng nước/ $NaOH$ để tạo muối $RCOONa$ (xà phòng), còn transester hoá dùng methanol để tạo ester mới $RCOOCH_3$ (biodiesel), $NaOH$ / $KOH$ chỉ đóng vai trò xúc tác chứ không phải chất phản ứng chính. Sản phẩm phụ trong cả hai phản ứng đều là glycerol.

Biodiesel có nhiều ưu điểm so với diesel truyền thống chiết từ dầu mỏ: sản xuất được từ nguồn tái tạo (dầu ăn đã qua sử dụng, dầu dừa, dầu cọ, dầu jatropha), giúp xử lý rác thải dầu ăn thay vì đổ bỏ gây ô nhiễm; cháy tạo ít khí thải độc hại hơn (ít lưu huỳnh, ít bụi mịn); có khả năng phân huỷ sinh học. Hạn chế chính là giá thành nguyên liệu đôi khi cao hơn diesel hoá thạch, và cần xử lý lượng glycerol phụ phẩm sinh ra trong quá trình sản xuất.

Một điểm dễ nhầm: dầu ăn thô, chưa qua phản ứng không dùng trực tiếp làm nhiên liệu tốt được, vì độ nhớt của triglyceride quá cao so với diesel thông thường, dễ gây tắc nghẽn động cơ. Phản ứng transester hoá cắt phân tử triglyceride lớn thành ba phân tử ester methyl nhỏ hơn, làm giảm mạnh độ nhớt — đây chính là lý do phải qua phản ứng hoá học chứ không chỉ lọc sạch dầu thải là dùng được ngay.

**Biodiesel** là hỗn hợp các **methyl ester của acid béo** (thường viết tắt FAME — fatty acid methyl ester), điều chế bằng phản ứng **chuyển hoá ester (transester hoá)**: chất béo (triglyceride) phản ứng với methanol dư, xúc tác base ($NaOH$ hoặc $KOH$), đun nóng nhẹ: $$(RCOO)_3C_3H_5 + 3CH_3OH \xrightarrow[NaOH]{t^\circ} C_3H_5(OH)_3 + 3RCOOCH_3$$ Phản ứng này có hình thức giống hệt xà phòng hoá — cùng dùng xúc tác base, cùng "cắt" ba liên kết ester của chất béo — nhưng khác nhau ở tác nhân: xà phòng hoá dùng nước/$NaOH$ để tạo muối $RCOONa$ (xà phòng), còn transester hoá dùng methanol để tạo ester mới $RCOOCH_3$ (biodiesel), $NaOH$/$KOH$ chỉ đóng vai trò xúc tác chứ không phải chất phản ứng chính. Sản phẩm phụ trong cả hai phản ứng đều là glycerol. Biodiesel có nhiều ưu điểm so với diesel truyền thống chiết từ dầu mỏ: sản xuất được từ nguồn **tái tạo** (dầu ăn đã qua sử dụng, dầu dừa, dầu cọ, dầu jatropha), giúp xử lý rác thải dầu ăn thay vì đổ bỏ gây ô nhiễm; cháy tạo ít khí thải độc hại hơn (ít lưu huỳnh, ít bụi mịn); có khả năng phân huỷ sinh học. Hạn chế chính là giá thành nguyên liệu đôi khi cao hơn diesel hoá thạch, và cần xử lý lượng glycerol phụ phẩm sinh ra trong quá trình sản xuất. Một điểm dễ nhầm: dầu ăn **thô, chưa qua phản ứng** không dùng trực tiếp làm nhiên liệu tốt được, vì độ nhớt của triglyceride quá cao so với diesel thông thường, dễ gây tắc nghẽn động cơ. Phản ứng transester hoá cắt phân tử triglyceride lớn thành ba phân tử ester methyl nhỏ hơn, làm giảm mạnh độ nhớt — đây chính là lý do phải qua phản ứng hoá học chứ không chỉ lọc sạch dầu thải là dùng được ngay.

Ở Việt Nam, một số dự án thí điểm đã thu gom dầu ăn thải từ các nhà hàng, bếp ăn tập thể tại các thành phố lớn để chuyển hoá thành biodiesel pha trộn với diesel thông thường (thường ký hiệu B5, B10 — tỉ lệ phần trăm biodiesel trong hỗn hợp) dùng cho xe buýt hoặc máy phát điện, vừa giảm lượng dầu thải xả ra môi trường, vừa giảm một phần phụ thuộc vào nhiên liệu hoá thạch nhập khẩu.

Ví dụ

Viết phương trình transester hoá tristearin bằng methanol

1
Viết phương trình phản ứng giữa tristearin $(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5$ với methanol dư, xúc tác $NaOH$ , tạo biodiesel.
Viết phương trình phản ứng giữa tristearin $(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5$ với methanol dư, xúc tác $NaOH$, tạo biodiesel.
2
Sản phẩm luôn gồm glycerol (từ phần "khung" của chất béo) và methyl ester của acid béo tương ứng (biodiesel); tristearin cho gốc acid béo $C_{17}H_{35}-$ .
Sản phẩm luôn gồm glycerol (từ phần "khung" của chất béo) và methyl ester của acid béo tương ứng (biodiesel); tristearin cho gốc acid béo $C_{17}H_{35}-$.
3
$(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3CH_3OH \xrightarrow[NaOH]{t^\circ} C_3H_5(OH)_3 + 3C_{17}H_{35}COOCH_3$ .
$(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3CH_3OH \xrightarrow[NaOH]{t^\circ} C_3H_5(OH)_3 + 3C_{17}H_{35}COOCH_3$.
4
$C_{17}H_{35}COOCH_3$ (methyl stearate) chính là một thành phần của biodiesel — về hình thức chỉ khác xà phòng hoá ( $RCOONa$ ) ở chỗ tác nhân là methanol thay vì $NaOH$ /nước, sản phẩm là ester thay vì muối.
$C_{17}H_{35}COOCH_3$ (methyl stearate) chính là một thành phần của biodiesel — về hình thức chỉ khác xà phòng hoá ($RCOONa$) ở chỗ tác nhân là methanol thay vì $NaOH$/nước, sản phẩm là ester thay vì muối.

Ví dụ

Tính khối lượng biodiesel thu được theo hiệu suất

1
Đun 8,9 kg dầu ăn (coi như tristearin tinh khiết, $M{=}890$ ) với methanol dư, xúc tác $NaOH$ , hiệu suất phản ứng đạt 85%. Tính khối lượng biodiesel (methyl stearate, $C_{17}H_{35}COOCH_3$ , $M{=}298$ ) thu được.
Đun 8,9 kg dầu ăn (coi như tristearin tinh khiết, $M{=}890$) với methanol dư, xúc tác $NaOH$, hiệu suất phản ứng đạt 85%. Tính khối lượng biodiesel (methyl stearate, $C_{17}H_{35}COOCH_3$, $M{=}298$) thu được.
2
$n_{tristearin} = \dfrac{8900}{890} = 10$ mol.
$n_{tristearin} = \dfrac{8900}{890} = 10$ mol.
3
PTHH: $(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3CH_3OH \to C_3H_5(OH)_3 + 3C_{17}H_{35}COOCH_3$ . Theo PT, $n_{biodiesel}$ lý thuyết $= 3 \times 10 = 30$ mol.
PTHH: $(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3CH_3OH \to C_3H_5(OH)_3 + 3C_{17}H_{35}COOCH_3$. Theo PT, $n_{biodiesel}$ lý thuyết $= 3 \times 10 = 30$ mol.
4
$n_{biodiesel}$ thực tế $= 30 \times 85\% = 25,5$ mol.
$n_{biodiesel}$ thực tế $= 30 \times 85\% = 25,5$ mol.
5
$m_{biodiesel} = 25,5 \times 298 = 7599$ gam $\approx 7,6$ kg. Vậy từ 8,9 kg dầu ăn thu được xấp xỉ 7,6 kg biodiesel, cùng một lượng glycerol phụ phẩm nhỏ hơn.
$m_{biodiesel} = 25,5 \times 298 = 7599$ gam $\approx 7,6$ kg. Vậy từ 8,9 kg dầu ăn thu được xấp xỉ 7,6 kg biodiesel, cùng một lượng glycerol phụ phẩm nhỏ hơn.

Ví dụ

Giải thích vì sao biodiesel từ dầu ăn thải là giải pháp kép

1
Vì sao sản xuất biodiesel từ dầu ăn đã qua sử dụng được xem vừa là giải pháp xử lý rác thải, vừa là giải pháp năng lượng tái tạo? Giải thích dựa trên phản ứng và tính chất sản phẩm.
2
Dầu ăn thải nếu đổ trực tiếp ra cống rãnh gây tắc nghẽn, ô nhiễm nguồn nước; phản ứng transester hoá tiêu thụ chính lượng dầu thải đó làm nguyên liệu, biến rác thành sản phẩm có giá trị.
3
Dầu ăn có nguồn gốc thực vật/động vật, tái tạo được theo chu kỳ ngắn (mùa vụ, chăn nuôi) — khác hẳn dầu mỏ hình thành qua hàng triệu năm và đang cạn dần.
4
Biodiesel cháy sinh ít lưu huỳnh, ít bụi mịn hơn diesel hoá thạch do thành phần chủ yếu là ester của acid béo, gần như không chứa tạp chất lưu huỳnh vốn có trong dầu mỏ thô.
5
Vậy biodiesel từ dầu ăn thải vừa giải quyết bài toán rác thải, vừa cung cấp nguồn nhiên liệu tái tạo, vừa giảm phát thải độc hại khi đốt — ba lợi ích cộng dồn từ cùng một phản ứng hoá học.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn nhầm biodiesel với dầu ăn thô chưa qua xử lý — thực tế dầu ăn thô có độ nhớt quá cao, không dùng trực tiếp làm nhiên liệu động cơ được. Phải qua phản ứng transester hoá để cắt phân tử triglyceride lớn thành các ester nhỏ hơn (biodiesel), giảm độ nhớt, mới sử dụng được cho động cơ diesel.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Biodiesel = hỗn hợp methyl ester của acid béo, tạo từ chất béo + methanol dư (xúc tác NaOH/KOH), sinh ra glycerol phụ phẩm; tái tạo được, cháy sạch hơn diesel hoá thạch; dầu ăn thô cần qua phản ứng này để giảm độ nhớt trước khi dùng làm nhiên liệu.

Bài cuối cùng của khoá học hệ thống hoá toàn bộ ester và lipid, luyện tập các dạng bài phối hợp nhiều kiến thức đã học trong một đề tổng hợp.